紙飛機如何穩定滑行？解析背後空氣動力學效應

一張紙在空中落下會毫無軌跡地飄動，但一架精美紙飛機卻會平穩滑行，儘管它的結構看起來很簡單，背後空氣動力學卻出奇複雜，與傳統飛機完全不同。

沒有人知道誰發明了第一架紙飛機，但要物理學家認真回答紙飛機如何平穩滑翔遠非易事，因為紙飛機維持水平飛行的空氣動力學與傳統飛機的穩定方法大不相同。

雖然科學家在空氣動力學領域的認知已大幅進步，紙飛機如果摺疊得當也可以滑翔很長距離，但顯然還沒有一個好的數學模型來預測它們的飛行軌跡，紐約大學團隊於是進行了一系列紙飛機實驗，並開發數學模型來預測紙飛機飛行穩定性。

研究人員指出，滑翔成功關鍵在於重心必須位於「恰到好處」的位置，對紙飛機來說，氣動力或壓力中心會隨飛行角度產生變化；具體來說，如果質心稍微偏移，紙飛機就會發生類似翻滾的劇烈行為；如果重量太偏某側，紙飛機也會迅速下墜。

但在這兩者之間，質心有個「最佳位置」可以提供穩定滑行，當質心處於最佳位置，飛機向上移動後，機翼的空氣動力學會將機翼向下推；如果飛機向下移動，空氣動力則將機翼推回原處，我們可透過將紙飛機前緣摺疊多次或添加迴紋針來實現這項關鍵，成為紙飛機穩定飛行祕訣。

這種壓力中心之動態變化似乎是扁平機翼的獨特特性，不會出現在傳統飛機機翼，後者的壓力中心於飛行過程維持固定，這也是為什麼傳統飛機需要一個尾翼做為穩定器，但紙飛機只需要一個既能提供升力又能提供穩定性的主翼就可翱翔。

該論文於 2022 年 3 月發表在《Journal of Fluid Mechanics》期刊。

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（首圖來源：pixabay）